Hiểu về trạng thái tuyến tính và phi tuyến của ảnh

Trong xử lý hậu kỳ ảnh thiên văn, bạn thường nghe nói “công đoạn này phải làm ở trạng thái tuyến tính”, “cái kia phải đợi đến sau khi ảnh chuyển sang phi tuyến”, nhưng rốt cuộc tuyến tính là gì, phi tuyến là gì? Đây từng là khái niệm mà tôi rất khó giải thích cho rõ với người khác. Về sau tôi tìm được một cách giải thích khá hơn — nhìn vào đường cong MTF. Bài này dùng MTF cùng công cụ Histogram Transformation (HT) để nói cho rõ ranh giới giữa hai trạng thái.

Định nghĩa tuyến tính và phi tuyến bằng đường cong MTF

Mấu chốt nằm ở một thao tác duy nhất: chỉ cần bạn thay đổi vị trí của midtone (tông trung gian), đầu ra của ảnh sẽ không còn tuyến tính nữa.

Lý do là vì điều chỉnh midtone sẽ làm thay đổi “tỷ lệ khoảng cách giữa các pixel có độ sáng khác nhau”. Ban đầu, quan hệ tương đối về độ sáng giữa các pixel là tỷ lệ đều nhau (tuyến tính); một khi midtone bị dịch đi, tỷ lệ ấy liền bị bóp méo, và đầu ra đương nhiên trở thành phi tuyến (bạn có thể đối chiếu với biến đổi của đường cong ở phần output trong công cụ HT).

Ảnh gốc chưa qua điều chỉnh, đang ở trạng thái tuyến tính

Sau khi điều chỉnh midtone, ảnh bước vào trạng thái phi tuyến

Nghĩ theo một góc khác sẽ trực quan hơn: theo lối truyền thống, một tấm ảnh thiên văn vừa tích hợp (integration) xong là một mảng đen kịt, chẳng nhìn thấy gì (trạng thái tuyến tính), còn việc chúng ta phải làm là kéo nó lên cho đến khi nhìn rõ mục tiêu — thao tác này tất yếu là một lần kéo giãn phi tuyến với biên độ lớn. Chẳng hạn sau khi tích hợp trong APP, ngoài việc sinh ra một tệp tuyến tính chẳng nhìn thấy gì, nếu bạn nhấp vào nút lưu nằm bên dưới phần kéo giãn ở bên phải, chương trình sẽ lưu thêm một tấm ảnh phi tuyến đã qua kéo giãn.

(Cũng có ý kiến cho rằng điều chỉnh với biên độ rất nhỏ thì vẫn có thể xem là tuyến tính; bài này lấy định nghĩa chặt chẽ hơn — chỉ cần đụng vào midtone là coi như ảnh đã bước vào trạng thái phi tuyến.)

Chỉ chỉnh shadow hoặc highlight thì không phá vỡ tính tuyến tính

Không phải mọi điều chỉnh đều khiến ảnh trở thành phi tuyến. Nếu bạn chỉ động vào shadow (điểm mút vùng tối) hoặc highlight (điểm mút vùng sáng) thì quan hệ tuyến tính giữa các pixel không hề thay đổi, bạn chỉ đang co giãn hoặc cắt bớt ở hai điểm mút mà thôi:

Chỉnh shadow sang phải: mở rộng vùng tối (kéo giãn vùng tối ra).

Chỉnh shadow sang phải, mở rộng vùng tối

Chỉnh shadow lên trên: dần dần xuất vùng tối thành màu xám.

Chỉnh shadow lên trên, vùng tối dần được xuất thành màu xám

Chỉnh highlight sang trái: mở rộng vùng sáng.
Chỉnh highlight xuống dưới: dần dần xuất vùng sáng thành màu xám.

Ảnh hưởng của các điều chỉnh liên quan đến highlight lên vùng sáng

Xin bổ sung một chi tiết nhỏ về công cụ: do công cụ HT của PixInsight đã bỏ đi các tùy chọn Low và High Ranges, nên phần minh họa “chỉnh lên trên / chỉnh xuống dưới” (xuất thành màu xám) ở trên, tôi chuyển sang dùng công cụ Curves để trình bày.

Vì sao phải bận tâm đến ranh giới này

Hiểu rõ ý nghĩa của tuyến tính/phi tuyến là điều rất thiết thực — nhiều công đoạn xử lý ảnh (chẳng hạn hiệu chỉnh màu, deconvolution) bắt buộc phải chạy ở trạng thái tuyến tính thì mới đúng; một khi bạn đã kéo giãn, đã động vào midtone thì ảnh bước sang phi tuyến, và kết quả của một số công đoạn sẽ sai lệch. Vì vậy, khi xây dựng quy trình làm việc, nghĩ cho thấu đáo trước rằng “bước này nên làm trước hay sau khi kéo giãn” thường quan trọng hơn là nhớ từng cái nút bấm.